Energetica. Abril 2022

Otro de los principales retos asociados a los electrolizadores convencionales actuales es que la velocidad de generación de hidrógeno está limitada por la lenta velocidad de forma- ción de oxígeno. Electrolizadores desacoplados como solución a los retos actuales Una alternativa para solucionar de manera rápida y económica estos problemas es la implementación de celdas desacopladas. En los electrolizadores desacoplados, la evo- lución de H 2 ocurre simultáneamente con la oxidación de un mediador intermediario, que posteriormente se reducirá con la formación de oxígeno (Figura 1). Este concepto en el que la formación de H 2 y O 2 están separadas en tiempo y espacio ofrece soluciones a los pro- blemas de los electrolizadores convenciona- les, en particular la mezcla de gases. A su vez, la implementación de mediadores Redox permite aumentar la velocidad de pro- ducción de hidrógeno, independientemente de la velocidad de formación de oxígeno. Con cada reacción ocurriendo por separado, en tiempo y espacio, la velocidad de generación de H 2 puede incrementarse significativamen- te ya que solo depende de la velocidad de oxi- dación del mediador redox. Cierto es que la selección del mediador redox ha de ser ópti- ma y su velocidad de oxidación comparable a la velocidad de generación de H 2 en el medio electrolítico deseado, ya sea ácido o alcalino. Además, ya que la producción de H 2 y O 2 no están acopladas en tiempo y espacio, no hay riesgo de mezcla de los gases explosivos, y tampoco existe la necesidad de pasos adicio- nales de purificación de H 2 . Adicionalmente, como la producción de H 2 y O 2 no están acopladas en tiempo y espacio, la evolución de O 2 puede ser sustituida por la oxidación de otras especies adaptadas a las necesidades de la empresa, como por ejem- plo síntesis de H 2 O 2 (agua oxigenada), Cl2 (cloro) u oxidación de residuos orgánicos de la empresa. Lo que supone una mayor flexibi- lidad para el sistema. Tipos demediadores redox para electrolizadores desacoplados Existen varias propuestas de mediadores redox para ser implementados en los elec- trolizadores. Estos se podrían clasificar en mediadores redox en medio fluido, bien sea acuoso u orgánico, y enmediadores redox só- lidos. Los dos requerimientos principales son que el mediador sea estable en cualquiera de sus formas, ya sea oxidada o reducida, y que los potenciales de oxidación y reducción se encuentren dentro de la ventana de potencial de evolución de hidrógeno y oxígeno. Los primeros estudios de celdas desacopla- das con mediadores redox en medio líquido han tomado inspiración de las celdas de re- dox de flujo en medio acuoso, empleando pares redox de iones metálicos en disolución. Sin embargo, lamayoría de estas especies son poco solubles en agua, o sufren de poca es- tabilidad a largo plazo en condiciones reales de operación y pH. Por otra parte, el empleo de moléculas orgánicas portadoras de carga comomediadores redox ofrecen la ventaja de una mayor flexibilidad en comparación con los mediadores inorgánicos de iones metáli- cos, ya que una molécula de este mediador redox puede ser portadora de varias cargas y, a su vez, puede modificarse fácilmente su polaridad aumentando así su solubilidad. Como resultado, la densidad de carga puede aumentarse significativamente, mejorando las prestaciones del electrolizador. En el caso de las celdas desacopladas con mediadores sólidos, la oxidación y reducción delmediador ocurreen la superficiedeunelec- trodo sin pasar a la fase acuosa. Este sistema tiene como principal ventaja la disminución de la complejidad del electrolizador, ya que no re- quiere de grandes volúmenes de líquido con el mediador. A su vez, ofrece un menor coste de operación y mantenimiento, ya que no precisa de dos electrodos para la oxidación y reduc- ción de las especies en disolución, al mismo tiempo que tampoco requiere de membranas, ni requiere de grandes depósitos de líquidos. De hecho, estudios recientes implementando electrodos de níquel han demostrado la via- bilidad y ventajas de estas celdas, sin embar- go, el posible uso de otros electrodos sólidos basados en óxidos metálicos multivalentes y estables mejoraría significativamente las pres- taciones de los electrolizadores desacoplados conmediadores sólidos. En definitiva, la aparición de electrolizadores de agua desacoplados viene a proporcionar soluciones a las limitantes actuales de los elec- trolizadores convencionales como la densidad de potencia del stack y la mezcla de gases. Desde su aparición, y enmenos de 5 años, han logrado evolucionar en distintos aspectos des- tacando por su versatilidad y seguridad. Esto puede suponer que con más estudios a nivel fundamental en el desarrollo de materiales re- dox, ymejoras en el diseñode la celda, los elec- trolizadores desacoplados tienen el potencial para sustituir los electrolizadores convencio- nales, alcalinos y PEM, acoplados a fuentes de energía renovable intermitentes◉ Desde su aparición, y en menos de 5 años, los electrolizadores de agua desacoplados han logrado evolucionar en distintos aspectos destacando por su versatilidad y seguridad Hidrógeno 55 ENERGÉTICA XXI · 215 · ABR 22